Ефективність гідравлічних рідин

Ефективність гідравліки: теорія

Гідравлічні системи перетворюють механічну енергію, що надходить від електродвигуна або двигуна внутрішнього згоряння, на потік рідини та тиск, здатні виконати задану роботу.

Гідравлічні насоси перетворюють механічну енергію приводу на потік рідини. Тиск виникає внаслідок обмеження цього потоку в системі.

Типовий гідравлічний насос має ефективність лише 80–90%. Енергія втрачається у двох основних формах:

• Механічні втрати — енергія, втрачена на тертя рідини.

• Об'ємні втрати — енергія, втрачена внаслідок внутрішнього перетікання (проковзування) рідини всередині насоса.

Об'ємна ефективність: усі насоси мають шляхи внутрішнього перетікання. Наприклад, в аксіально-поршневому насосі олива витікає через зазор між циліндром і поршнем.

Механічна ефективність: енергія витрачається на обертання насоса та подолання втрат на тертя рідини. Сюди залучені обертовий вал, циліндри, поршні, порти й опорна подушка ковзання.

В'язкість і оптимальний робочий діапазон

Величина механічних та об'ємних втрат у насосі залежить насамперед від в'язкості рідини та її змащувальних властивостей.

Механічні втрати найбільші, коли в'язкість рідини висока, а об'ємні втрати найбільші, коли в'язкість низька. Зіставлення цих двох кривих визначає діапазон в'язкості для оптимальної ефективності.

Висока в'язкість дає високі втрати на тертя та погані пускові властивості за холоду, проте добру товщину масляної плівки. Низька в'язкість дає погану об'ємну ефективність і добрі холодні пускові властивості, але недостатню товщину плівки.

Оскільки в'язкість гідравлічної рідини висока за низьких температур і знижується зі зростанням температури рідини, утриматися в цьому оптимальному робочому діапазоні непросто. Спеціально розроблені гідравлічні рідини зменшують ці втрати завдяки високому індексу в'язкості, що дозволяє утримувати в'язкість в оптимальному діапазоні в широкому діапазоні робочих температур.

Підвищення тиску в системі також знижує ефективність гідравлічного насоса. Вищий тиск зазвичай призводить як до зростання механічних втрат (вищі навантаження на насос), так і до зростання об'ємних втрат (вищий тиск збільшує внутрішнє перетікання).

Окрім переваг від утримання в'язкості в оптимальному діапазоні, додатковий приріст ефективності досягається підбором оптимальних базових рідин і присадок, що зменшують тягу — притаманний рідині опір зсуву в умовах еластогідродинамічного змащування (EHL).

Від теорії до практики

Різницю в ефективності гідравліки можна виміряти, порівнявши дві рідини у простому контурі. Контур містить гідравлічний насос, а тиск у системі регулюється в заданому діапазоні. Виміряні механічна енергія на вході та витрата потоку дозволяють розрахувати механічну та об'ємну ефективність двох різних рідин.

У стендовому випробуванні порівнювали типову антизносну гідравлічну рідину ISO VG 46 зі спеціально розробленою випробувальною рідиною з високим індексом в'язкості. Випробувальна рідина продемонструвала зростання ефективності гідравліки в межах від 3 до 6 відсотків. Зі зростанням температури й тиску перевага в ефективності збільшується.

Ефективність гідравліки = зростання продуктивності

Щоб продемонструвати вплив ефективності гідравліки на споживання енергії та час циклу, провели дослідження на екскаваторі. У гідравлічній системі екскаватора тиск може сягати 4000 psig (275 бар), а температура часто наближається до 100 °C.

Випробування організували для порівняння типової рідини SAE 10W, яку зазвичай застосовують у мобільному обладнанні, з гідравлічною рідиною, спеціально розробленою для оптимізації ефективності гідравліки. Застосування цієї рідини дало:

• на 6% менше пального на цикл;

• до 5% менше часу на цикл.

Оператор машини також відзначив, що чутливість системи покращилася одразу після додавання випробувальної рідини.

Використання цієї спеціально розробленої гідравлічної рідини протягом повного року в екскаваторі середнього розміру дозволило б:

• скоротити витрату пального до 900 галонів;

• зменшити викиди CO2 до 9 метричних тонн.

Результати та значення для промисловості

Це випробування показує, який вплив на загальну ефективність гідравліки можуть мати склад рідини та її фізичні характеристики. Однак ефективність гідравліки не є самоціллю. Цей додатковий приріст ефективності перекачування перетворюється на економію енергії, що вимірюється споживанням пального чи електроенергії, або на скорочення часу виконання робочого циклу в обладнанні з гідроприводом.

Подібні можливості для економії енергії існують і в промислових гідравлічних застосуваннях. Яскравий приклад — лиття пластмас під тиском, для якого характерні відносно високі температури й тиск, велике енергоспоживання, повторювані цикли тощо. Застосування ефективних гідравлічних рідин у термопластавтоматах дозволяє очікувати на зниження споживання енергії та оптимізацію часу циклу.

Висновок

Правильний підбір гідравлічної рідини покращує фінансовий результат завдяки зменшенню втрат ефективності, збільшенню економії енергії та зростанню продуктивності.

Демонстрацію проводили на екскаваторі середнього розміру з одним оператором і однією партією пального. Результати можуть відрізнятися залежно від умов експлуатації.